Extrapolation des coûts de préformage

Extrapolation des coûts de préformage

INTRODUCTION

Le marché actuel présente un grand intérêt pour les structures légères à des fins économiques, environnementales et commerciales. Cette affirmation est d’autant plus vraie dans les structures aéronautiques tant le poids d’un aéronef influence ses performances. La solution est initialement venue des alliages métalliques. Cependant les solutions composites à renforts fibreux sont de plus en plus présentes. Bien que de nombreux défis entravent encore l’utilisation à grande échelle des matériaux composites pour des structures majeures, les fabricants accordent une attention toute particulière à leurs caractéristiques remarquables. Le développement et la conception de telles structures ainsi que la mise en forme des matériaux composites à coût intéressant sont nécessaires à la compétitivité de ces nouveaux matériaux.
L’un des principaux facteurs limitant de la mise en forme consiste au recours à des étapes manuelles qui limitent la reproductivité des pièces. De plus, les procédés de mise en oeuvre restent en majorité fortement couteux. Les propriétés mécaniques interlaminaires et leur faible tolérance à l’endommagement ralentissent également leur utilisation pour des pièces structurales et à formes complexes. De nombreux procédés voient le jour afin de répondre aux faiblesses des matériaux composites et de les mettre en oeuvre. Les procédés « Out-ofautoclave » (OOA) sont notamment en forte expansion (Red, 2014).

Sélection de technologies de production

Les panneaux tels que décrits précédemment sont connus comme présentant une faiblesse au niveau du joint entre le raidisseur et la peau tel que le mentionne Mahfuz et al. (2004). En général, les composantes sont fabriquées séparément puis assemblées par collage. Avec des matériaux préimprégnés, il est possible de réaliser la cuisson des éléments indépendamment puis de les lier dans l’autoclave : cette technique est appelée le « co-curing ». Les travaux de Hogg (2010) démontrent la présence d’une concentration de contraintes au niveau de la zone de transition entre le voile et la semelle. La Figure 1.2 montre l’analyse par éléments finis d’une section de raidisseur en T subissant une charge dans le sens d’un arrachement du voile.

 Procédés de couture classiques

La couture peut remplir deux fonctions pouvant être complémentaires. La première fonction est la fixation de divers éléments fibreux ou non-fibreux ensemble, tandis que la seconde est le renforcement de la structure. De nombreux points de couture permettent de compléter l’une et/ou l’autre de ces fonctions. La Figure 1.8 présente trois points de couture parmi les plus usuels. Dransfield et al. (1994) s’est notamment servi de ces trois points afin de caractériser la possible amélioration de matériaux cousus à la résistance à la délamination tout comme Kullerd et al. (1992).

 Procédés de couture aveugle

Les procédés de couture aveugle sont des techniques qui ne nécessitent l’accès qu’à une face de la préforme. Trois principes se distinguent : le premier utilise une aiguille courbe, le second se sert de deux aguilles tandis que le touffetage insère un fil de renfort dans la préforme sans créer de noeuds.
Le procédé « Blindstitch » développé par KSL utilise une unique aiguille courbe qui pénètre la préforme et en ressort par la même face. Un crochet retient la dernière boucle afin d’y insérer la nouvelle boucle et former une chainette. La Figure 1.9 montre la schématisation de la tête ainsi que du fil de renfort dans la préforme.

 Caractérisation mécanique des préformes

Le sujet abordé est cette fois tellement vaste et développé dans la littérature que cette section s’intéresse uniquement à la caractérisation du touffetage dans les préformes. Cette section sert d’introduction au second objectif de ce mémoire introduit à la section  et développé dans le quatrième chapitre.
Le touffetage peut remplir deux fonctions. Il peut être en effet utilisé comme technique d’assemblage afin de maintenir les multiples plis de la préforme entre eux. Ou, il peut servir de technique de renforcement de la structure afin d’augmenter les propriétés de la préforme.
Bien évidemment, ces deux fonctions du touffetage peuvent être appliquées à une même préforme.

 Assemblage de préforme sandwich

Henao et al. (2010) présentent des résultats particulièrement intéressants pour le touffetage comme technique d’assemblage de préformes sandwich. Il effectue cette étude à la suite des travaux de Stanley et al. (2001) ou encore Zheng et al. (2008) qui présentent de fortes détériorations dues à la couture. Pour les précédentes études, ce sont les boucles et noeuds de la couture qui sont mis en cause. L’auteur souhaite utiliser le touffetage comme substitut à la couture pour éviter les détériorations. Si la résistance à la compression ne présente que de faibles améliorations, selon la densité de touffetage, il est possible d’atteindre plus de 100% d’augmentation de la charge à la rupture. En termes de flambage, la charge maximale augmente de 50% tandis que la déformation du matériau sandwich diminue de 8 fois avec les renforts touffetés en carbone.

 Programmation

Le robot support des têtes de couture et de découpe est classiquement utilisé dans des chaines de montage pour la réalisation de tâches répétitives. Notre utilisation en recherche et développement propose au contraire nombreuses tâches variées. La plupart des utilisations sont uniques. La plus grande difficulté est de programmer le robot afin d’actionner parfaitement l’outil installé selon l’action souhaitée.

 Caractérisation et inspection
 Influence de la qualité de l’empilement sur la couture

Il a précédemment été discuté à la section 2.4.2 que la qualité de l’empilement de tissus influence profondément la qualité de la couture. Il est complexe de définir la notion d’empilement de bonne qualité tant celle-ci est subjective. Cependant, il est essentiel d’assurer le meilleur empilement possible. Afin de définir la qualité d’un empilement, une liste non exhaustive de défauts couramment rencontrés est présentée ci-dessous. Elle permet de définir des situations inadmissibles qui peuvent se manifester durant la production et qui influent négativement sur la qualité du laminé puis du composite. Les trois défauts principaux sont les suivants :
• Déviation de l’orientation des fibres d’un pli d’au moins 10° par rapport à l’orientation originale. Visuellement, seuls les plis externes peuvent présenter ce défaut.
• Imperfection ou déformation locale (trou, fibres hors-plan, etc.)
• Présence de corps étrangers (fibres non souhaitées, poussière, impuretés diverses, etc.) dans ou sur l’empilement.

CONCLUSION

Le projet CRIAQ COMP-501 vise le préformage efficace de préformes 3D complexes à renforts fibreux secs pour le secteur industriel aéronautique. La solution envisagée est le préformage de préformes 3D complexes assemblées par couture « One-Sided Stitching® » (OSS®). L’évaluation et la caractérisation du procédé doivent permettre la réalisation d’un panneau démonstrateur raidi. Au sein de ce projet, les objectifs de ce mémoire de maitrise sont : la pérennisation de la fabrication de préformes, l’évaluation des performances mécaniques du renforcement par touffetage et l’étude de la viabilité économique du préformage par couture OSS®.
Suite aux travaux précédents du projet COMP-501 d’évaluation des paramètres de couture puis de leur positionnement sur le raidisseur en « T », la couture ne s’avère pas une technique de renforcement mais plutôt de préformage. Des essais d’arrachement du voile ont alors été effectués afin d’évaluer le pouvoir de renforcement des préformes par touffetage. Après une revue de la littérature, il s’est imposé que le renfort par touffetage devait être inséré avec précision et précaution dans les zones de concentration de contraintes. L’étude a démontré la difficulté de mise en place du touffetage, les premières tentatives montrant de grosses anomalies de fabrication. La stabilisation du procédé de touffetage répond en partie au premier objectif de ce mémoire. Une fois le touffetage stabilisé dans la zone de la nouille, zone de concentration de contraintes et présentant l’initiation de la rupture sous chargement, des essais d’arrachement du voile ont été effectués. Les performances mécaniques de deux patrons de touffetage ont été évaluées lors d’essais symétriques et asymétriques. Les résultats démontrent une possibilité intéressante de renforcement localisé. Un premier patron de touffetage permet d’obtenir jusqu’à 33% de gain à la résistance à l’arrachement symétrique selon notre configuration de raidisseur en « T ». C’est-à-dire imprégné par VARI avec le système de résine époxy du projet et notre choix de matériaux et de géométrie. Il y a également la configuration « quasi » de l’empilement et le patron de couture préférentiel évalué par les travaux précédents. C’est le second patron de touffetage qui présente la meilleure résistance à l’arrachement asymétrique avec des gains allant jusqu’à 12%. Le touffetage permet également une plus grande déformation du matériau avant rupture.

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LA LITTÉRATURE
1.1 Mise en situation
1.1.1 Sélection d’un design
1.1.2 Sélection de technologies de production
1.2 Préformage et renforcement des renforts fibreux secs
1.2.1 Tissage
1.2.2 Tricotage
1.2.3 Tressage
1.2.4 Couture
1.2.4.1 Procédés de couture classiques
1.2.4.2 Procédés de couture aveugle
1.2.5 Touffetage
1.2.6 Inventaire des autres procédés
1.3 Effets des paramètres de couture et de touffetage sur les préformes
1.3.1 Densité de couture
1.3.2 Patron de couture
1.3.3 Profondeur d’insertion
1.3.4 Angle d’insertion
1.4 Matériaux
1.4.1 Renfort fibreux
1.4.2 Fil de renfort
1.5 Imprégnation de résine
1.6 Défauts communs rencontrés lors de l’utilisation de renforts fibreux secs
1.6.1 Défauts communs engendrés par la manipulation du renfort fibreux
1.6.2 Défauts communs engendrés par l’insertion de fils de renfort
1.7 Caractérisation mécanique des préformes
1.7.1 Assemblage de préforme sandwich
1.7.2 Renforcement de raidisseur en T
1.7.3 Mode d’arrachement des touffes
1.7.4 Résistance à l’arrachement de raidisseur en T
1.7.5 Conclusion sur la mise en oeuvre du touffetage
1.8 Projets antérieurs de panneaux assemblés et renforcés par couture
CHAPITRE 2 OBJECTIFS ET DÉMARCHE EXPÉRIMENTALE
2.1 Le CRIAQ et le projet COMP-501
2.1.1 Présentation du CRIAQ
2.1.2 Objectif du projet COMP-501
2.1.3 Sélection de la géométrie à développer
2.1.4 Problématique et objectifs du mémoire
2.2 Sélection des procédés
2.2.1 Couture OSS® « 2Needle »
2.2.2 Touffetage
2.3 Sélection des matériaux et paramètres
2.3.1 Renfort fibreux
2.3.2 Fil de couture et de touffetage
2.3.3 Nouille
2.3.4 Matrice
2.3.5 Séquences d’empilement des renforts
2.4 Préparation des renforts
2.4.1 Découpe
2.4.2 Empilage
2.4.3 Assemblage du stratifié par couture
2.4.4 Préformage des stratifiés
2.4.5 Renforcement
2.5 Ajout de la matrice par VARI
2.5.1 Principe
2.5.2 Équipement et montage
2.5.3 Imprégnation de la préforme
2.5.4 Bénéfices et risques
2.6 Tests mécaniques
2.6.1 Préparation des spécimens pour essais
2.6.2 Test d’arrachement symétrique et asymétrique
2.6.3 Échantillonnage et procédure
CHAPITRE 3 PRODUCTION DE PRÉFORMES ASSEMBLÉES PAR COUTURE
ET RENFORCÉES PAR TOUFFETAGE
3.1 Maitrise des outils
3.1.1 Robot
3.1.2 Nomenclature du renfort et paramètres de couture
3.1.3 Programmation
3.2 Conception d’outillage spécifique
3.2.1 Gabarit d’empilement de tissus
3.2.2 Gabarit de préformage
3.2.3 Pied presseur de touffetage « multi-angle »
3.2.4 Feuille de calcul de consommation de fil de couture
3.3 Production
3.3.1 Couture OSS® « 2Needle »
3.3.2 Touffetage
3.4 Caractérisation et inspection
3.4.1 Influence de la qualité de l’empilement sur la couture
3.4.2 Inspection visuelle des préformes sèches
3.4.3 Inspection des spécimens par microscope
CHAPITRE 4 ÉVALUATION DE L’EFFET DU TOUFFETAGE SUR LES
PROPRIÉTÉS MÉCANIQUES D’UN RAIDISSEUR EN « T »
4.1 Introduction au renforcement par touffetage
4.1.1 Choix de la configuration de couture
4.1.1.1 Tests
4.1.1.2 Résultats des tests d’arrachement
4.1.1.3 Conclusion des travaux sur la couture
4.1.2 Tests de touffetage dans la région de la nouille
4.1.2.1 Premier test
4.1.2.2 Résultats
4.1.2.3 Seconde série de test
4.1.2.4 Résultats
4.1.2.5 Conclusion
4.1.3 Choix des configurations à tester
4.2 Propriété à l’arrachement symétrique
4.2.1 Résultats et analyse
4.2.2 Analyse des modes de rupture
4.3 Propriété à l’arrachement asymétrique
4.3.1 Résultats et analyse
4.3.2 Analyse des modes de rupture
4.4 Conclusions et recommandations
4.4.1 Recommandations
4.4.2 Conclusions
CHAPITRE 5 ÉTUDE COMPARATIVE DES COUTS ENGENDRÉS PAR LE
PRÉFORMAGE PAR COUTURE PAR RAPPORT AU
PRÉFORMAGE À LA MAIN
5.1 Préformage d’un démonstrateur
5.1.1 Étapes de préformage
5.1.2 Gabarit de préformage
5.2 Étude des coûts
5.2.1 Coût d’équipement
5.2.2 Coût des matériaux
5.2.2.1 Coût des matières premières
5.2.2.2 Coût des matériaux de support
5.2.3 Coût de main-d’oeuvre
5.2.3.1 Coût de main-d’oeuvre direct
5.2.3.2 Coût de main-d’oeuvre indirect
5.2.4 Coût en énergie
5.2.5 Coût d’ingénierie initial
5.3 Cas d’un raidisseur simple
5.3.1 Estimation du temps de préformage
5.3.2 Calcul des coûts
5.3.2.1 Coût d’équipement
5.3.2.2 Coût des matériaux
5.3.2.3 Coût de main-d’oeuvre
5.3.2.4 Coût d’ingénierie initial
5.3.3 Conclusion
5.4 Cas d’un démonstrateur
5.4.1 Estimation du temps de préformage
5.4.2 Calcul des coûts
5.4.2.1 Coût d’équipement
5.4.2.2 Coût des matériaux
5.4.2.3 Coût de main-d’oeuvre
5.4.2.4 Coût d’ingénierie initial
5.4.3 Conclusion
5.5 Extrapolation des coûts de préformage
5.5.1 Intérêts supplémentaires au préformage par couture
5.5.2 Recommandations et Corrections
5.5.3 Extrapolation
CONCLUSION

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